汽車工程測試技術基礎學時/學分：30/2教材：汽車拖拉機試驗學/李杰敏主編.北京：機械工業出版社課程性質：考查參考資料：1、汽車試驗工程/安相璧主編.北京：國防工業出版社2、汽車試驗學/何耀華.北京：人民交通出版社3、機械工程測試技術基礎(第2版)/黃長藝.北京：機械工業出版社2023/2/51

本課程研究的對象是汽車工程試驗中測試系統的靜態、動態特性靜、動態測試中的常用傳感器特性和與之匹配的測量電路及記錄儀器的結構與工作原理，電子計算機在測試系統中的應用，測試信號的分析和數據處理方法等。汽車工程測試技術基礎2023/2/52第一章概論汽車工程測試技術基礎第二章測試裝置的技術特性第三章傳感器第四章信號的中間變換與傳輸第五章記錄儀器第六章測量誤差分析2023/2/53第一章概論汽車工程測試技術基礎1.1汽車拖拉機試驗概況

一、汽車試驗在汽車工業發展中的重要性汽車拖拉機試驗是伴隨其工業的建立和發展而逐漸成長起來的，汽車拖拉機工業發展到今天的水平與其試驗研究工作是分不開的。技術上許多新的發現和突破以及新設計的或現生產的產品，即使在設計和制造上考慮得非常周密也都必須以試驗測試為基礎經過試驗來檢驗。試驗是有助于人們深入了解汽車拖拉機在實際使用中各種現象的本質和規律，并推動其技術進步的一種極為重要的方法；它是保證產品性能、提高產品質量和市場競爭力的重要手段。2023/2/54汽車工程測試技術基礎

二、汽車試驗技術的發展

試驗內容：探索性試驗、新結構的原理試驗、獲取原始控制數據的標定試驗，為產品、結構改進提供支持的功能試驗，產品工藝的驗證試驗，整車及總成部件的可靠性、耐久性試驗、產品質量控制試驗等。1、汽車試驗方法的發展試驗內容逐年增加試驗方法不斷更新高等級、高速公路的發展帶來了汽車速度的顯著提高，需更新試驗方法；汽車法規的日漸嚴格，需要更新試驗方法；人們對汽車要求的日益提高，需要更新試驗方法；試驗技術的進步也會帶來試驗方法得變化。2023/2/55汽車工程測試技術基礎2、汽車試驗儀器設備發展的特征高精度、高效率；自動化程度越來越高；功能集成；在試驗室再現各種試驗環境；2023/2/56汽車工程測試技術基礎1.2汽車試驗的分類

一、按試驗特征分類汽車試驗場試驗室外道路試驗室內臺架試驗二、按試驗對象分類整車試驗總成與各大系統試驗零部件試驗2023/2/57汽車工程測試技術基礎

三、按試驗目的分類質檢試驗新產品定型試驗科研試驗：產品研發試驗、材料試驗、工藝試驗、試驗研究試驗四、各類試驗的關系無論何種試驗對象（整車、總成、零部件），何種試驗目的（質檢、定型、科研），均需進行室內臺架試驗、汽車試驗場試驗和室外道路試驗。2023/2/58汽車工程測試技術基礎1.3本課程研究的對象傳感器的原理、構造、性能及應用信號的中間變換與傳輸信號的記錄、補償與傳輸試驗數據的采集測量的誤差分析靜態數據處理動態數據處理測試系統的組成及系統特征分析2023/2/59第二章測試裝置的技術特性汽車工程測試技術基礎2.1測試的基本概念一、測試、信息和信號的概念1、測試——測試是人們認識客觀事物的方法。測試過程是從客觀事物中提取有關信息的認識過程。測試包含測量與試驗，在測試過程中，借助專門設備，通過合適的試驗和必要的數據處理，求得所研究對象的有關信息量值。

2023/2/510汽車工程測試技術基礎3、信號——一般說傳輸信息的載體稱為信號，信息蘊含于信號之中。

例如：古代的烽火，人們觀察到的是光信號，它所蘊含的信息是“敵人進攻來了”；無線電通訊中，電磁波信號運載著各種聲音信號。

信號具有能量，它描述了物理量的變化過程，在數學上可以表示為一個或幾個獨立變量的函數，可以取為隨時間或空間變化的圖形。例如：噪聲信號可以表示為一個時間函數；機械零件的表面粗糙度，可以表示為一個二元空間變量的高度函數。2、信息——一般可理解為消息、情報或知識，信息是事物運動的狀態和方式。信息本身不是物質，不具有能量，但信息的傳輸依靠物質和能量。例如：人類的語言文字是社會信息；商品報道是經濟信息；遺傳密碼是生物信息。

2023/2/511汽車工程測試技術基礎（2）按信號能否用明確的時間函數關系描述，信號分為：非電信號——隨時間變化的力、位移、加速度、速度等屬于非電信號。

電信號——隨時間變化的電壓、電流、電荷、磁通等屬于電信號。

確定性信號——可用明確的數學關系式來描述的信號稱為確定性信號。確定性信號又可分為：周期信號——經過一定時間可以重復出現的信號，稱為周期信號。周期信號包括簡諧周期信號和復雜的周期信號。非周期信號——具有瞬變性，包括準周期信號和瞬態信號。

4、信號的分類（1）按信號變化的物理性質，可將信號分為：

2023/2/512汽車工程測試技術基礎5、測試信號的分析處理信號的分析處理——指從傳感器等一次敏感元件獲得初始信息，用一定的設備和手段進行分析處理。如圖2－1所示：信息源傳感器中間變換分析處理記錄存貯噪聲噪聲噪聲被測非電量圖2－1信息、信號的轉換、傳輸與分析處理隨機信號（非確定性信號）——不能用明確的數學關系式描述的信號，稱為隨機信號。它的幅值、相位變化不可預知，所描述的物理現象是一種隨機過程。例如：汽車行駛時所產生的振動；樹葉的隨風飄動；飛機在大氣流中的浮動。2023/2/513汽車工程測試技術基礎

一個測試信號中包含著豐富的信息，其中包含著反映被測物理系統的狀態或特性的有用的信息，也常常包含大量人們不感興趣的其他信息（干擾噪聲）。

有用的信息——是人們認識客觀事物的內在規律，研究分析事物之間的相互關系，預測未來發展趨勢的依據。干擾噪聲——是在測試過程中不可避免地滲入測試系統的。

對測試信號的分析處理，比如濾波、調制、放大等，就是對信號的加工變換，其目的是改變信號的形式，便于分析和識別、濾除干擾噪聲、提取有用信息，便于對所研究的事物作出估計。

2023/2/514汽車工程測試技術基礎時域分析——又稱為波形分析，是用信號的幅值隨時間變化的圖形或表達式來分析，可以得到任一時刻的瞬時值或信號的最大值、最小值、均值、均方根值等。頻域分析——又稱為頻譜分析，是把信號的幅值、相位或能量變換為以頻率坐標軸表示，進而分析其頻率特性的一種方法。

二、測試系統的組成測試系統——由若干相互聯系、相互作用的傳感器和儀器設備等元件為實現一定測試目的而組成的有機整體。非電物理量的測試與控制技術，廣泛應用于汽車拖拉機試驗中，非電量的電測系統是最常用的測試系統。一個完整的測試系統包括：傳感器、信號調節器、顯示和記錄儀器數據處理器、外圍設備、定度設備、校準設備（圖2－2所示）。

信號分析有時域分析法和頻域分析法：2023/2/515汽車工程測試技術基礎（1）傳感器——將輸入的被測非電物理量轉換為電信號。（2）信號調節器——將傳感器輸出的電信號變換成傳輸不失真且便于記錄、處理的電信號，如信號源的阻抗變換，信號的放大、衰減與波形變換，信號濾波，多路信號切換等。（3）記錄、顯示器——記錄或顯示信號調節器輸出的信號。顯示必要的數據變化圖形，供直接觀察分析，或將其保存，供后續儀器分析、處理。傳感器信號調節器數據處理及其外圍設備記錄、顯示器圖2－2測試系統框圖

被測非電量定度設備定度設備2023/2/516汽車工程測試技術基礎（4）數據處理器——將記錄的信號按測試目的與要求提取有用信息，通過專用計算機進行分析、處理，如概率統計分析、相關分析、功率譜分析和傳遞特性分析等。（5）定度和校準設備——是測試系統的附加設備。測試前要對傳感器及測試系統確定其輸入與輸出物理量轉換關系的定度曲線，并根據一種較高準確度的參考儀器進行校準，確定整個測試系統的精度。

三、對測試系統的要求其主要特性

1、對測試系統的要求

從測試對象、測試目的和要求出發，使其達到技術上合理，經濟上節約；綜合考慮精度要求、使用環境及被測物理量變化的快慢、測量范圍、成本費用及自動化程度等因素。

應當具有單值的、確定的輸入—輸出關系，最好呈線性關系。

2023/2/517汽車工程測試技術基礎2、測試系統的基本特性

所謂測試系統的特性是系統的輸出y(t)與輸入x(t)關系。按被測試量在測試中的狀態，測試系統的基本特性有：靜態特性——當被測試量不隨時間變化或變化很緩慢時，測試系統的輸出和輸入之間的關系稱為靜態特性。動態特性——被測試量隨時間變化時，測試系統的輸出和輸入之間的關系稱為動態特性。

3、工程測試問題就是要處理輸入量X(t)、系統的傳輸或轉換特性h(t)和輸出量y(t)三者之間的關系。測試系統輸入輸出圖2－3測試系統、輸入和輸出2023/2/518汽車工程測試技術基礎(1)如果已知，通過對的觀察分析，就能推斷出相應的——測量；

(2)如果已知，通過對的觀察分析，就能推斷出——系統或儀器的定度過程；

(3)如果和已知，則可以推斷和估計——輸出信號的預測。

4、理想的測試儀器或測試系統應該具有單值的、確定的輸入—輸出關系，并且最好是一個單向線性系統。單向系統——測試系統對被測量的反作用影響可以忽略。線性系統——輸入和輸出是線性關系。單值函數——一個自變量對應一個因變量，具有唯一性。2023/2/519汽車工程測試技術基礎2.2測試裝置的靜態特性測試裝置的靜態特性——表示被測量處于穩定狀態，輸入和輸出都是不隨時間變化的常量。任一靜態系統的輸入、輸出關系可用下式表示：其中：——系統的輸入（被測量）——系統的輸出（測試結果）——常數

當時，表示即使在沒有輸入的情況下仍有輸出，即當x(t)=0時，y(t)=a0通常稱為系統的零點漂移。（2－1）2023/2/520汽車工程測試技術基礎

測試裝置的靜態特性指標的表征參數：靈敏度、非線性度、回程誤差。一、靈敏度1、當測試裝置的輸入，有一個增量，引起輸出發生相應的變化，則稱為該測試裝置的靈敏度。靈敏度是一個有量綱量。2、放大倍數——當測試裝置的輸入和輸出為同一量綱時，靈敏度常稱為放大倍數，此時靈敏度是無量綱量。放大倍數2023/2/521汽車工程測試技術基礎3、靈敏度漂移實際在被測量不變的情況下，由于外界環境條件等因素的變化，也可能引起測試裝置輸出的變化，最后表現為靈敏度的變化，由此引起測試裝置靈敏度的變化稱為靈敏度漂移。靈敏度漂移的根源是表達式中系數的變化所致。比如溫度改變引起測試儀器中電子元件參數的變化或機械部件尺寸和材料的變化特性等。2023/2/522汽車工程測試技術基礎二、非線性度1、定度曲線（實際特性曲線）在靜態測試中，通常用試驗的方法求取裝置的輸入、輸出關系曲線，這種關系曲線稱為定度曲線。2、擬合直線（理想直線）擬合直線的確定通常采用通過座標原點，并與定度曲線間的偏差的均方值（）為最小來確定。3、非線性度定度曲線偏離其擬合直線的程度就是非線性度。4、非線性度的表示在測試裝置的標稱輸出范圍A內，定度曲線與該擬合直線的最大偏差B與A的比值來表示非線性度。2023/2/523汽車工程測試技術基礎非線性度=三、回程誤差（遲滯誤差）1、滯后量實際測試裝置對同一大小的輸入量，其正向輸入（輸入量由小增大）和反向輸入（輸入量由大到小）的輸出量數值的不同，其差值稱為滯后量。2、回程誤差測試裝置全量程A內的最大滯后量和A之比值稱為回程誤差：2023/2/524汽車工程測試技術基礎四、重復性同一測試系統在相同的測試條件下對同一測試對象進行多次測量，其各次測試結果的接近程度。隨機誤差大，測試的重復性就差。五、分辨率分辨率是指測試系統能測量到最小輸入量變化的能力，即能引起輸出量發生變化的最小輸入變化量，用△X表示。2023/2/525汽車工程測試技術基礎2.3測試裝置的動態特性測試裝置的動態特性——指測試裝置的輸入量隨時間變化時，其輸出隨輸入而變化的關系。測試裝置的輸入量變化時，其輸出量會受到：研究對象的動態特性的影響測試裝置動態特性的影響為降低和消除測試裝置的動態特性給測量帶來的誤差，必須掌握并考察測試裝置的動態特性，為此要建立數學模型測試裝置一般是線性系統，所以它們的數學模型是常系數線性微分方程。當描述一個系統的微分方程已知，研究系統的動態特性的最基本的方法是解微分方程式。這種方法的優點是物理意義比較明確，并能給出全過程的數值解。2023/2/526汽車工程測試技術基礎但在工程應用中有一些實際困難：高階系統計算工作量非常大（僅適于三、四階以下的方程式分析）從整個求解過程中看不到系統結構與元件對系統性能的影響，也不能表達出各元件之間的相互聯系在實際工程問題中并不需要精確計算系統的全部數值解，只要能判斷系統過渡過程的特征，得到能指導系統動態特性進一步改善的方法。因此在工程實踐中發展了一些簡單有效的變換方法，其中最常用的就是拉普拉斯變換（拉氏變換）與傅立葉變換（傅氏變換）。變換——在分析與時間變化有關的信號與系統特性時，為了方便而常對時間函數在數學上實行某種改造，即從時域轉換到頻域的數學改造。2023/2/527汽車工程測試技術基礎對于周期信號可以通過傅里葉級數實現這種改造，得到離散的頻率譜或幅值譜。

對于瞬態信號可以通過傅立葉積分實現得到連續的頻譜。對于隨機信號，由于信號本身不滿足存在變換的條件，一般要先對原信號進行相關處理，然后再進行傅里葉變換，這時得到的頻譜圖稱為功率譜密度函數。傅里葉變換對系統的動態分析確實很重要，但它也受到一些限制：傅里葉變換常常包含有難于處理的廣義積分工程應用中的許多激勵作用，其傅立葉級數往往是不收斂的（階躍、正弦函數）。而在拉氏變換中引入“收斂因子”，可以解決以上的這種限制。2023/2/528汽車工程測試技術基礎采用試驗的方法研究分析測試裝置的動態特性：根據測試裝置實際工作時最常見的輸入信號的形式，選擇一些典型信號并將這些典型信號作為測試裝置的輸入，然后測出其輸出，進而對該測試裝置的動態特性作出分析和評價。分析時，即可在時間域（時域分析），也可在頻率域（頻域分析）進行，并分別定義出一系列動態特性參數。數學模型——定量地描述系統的動態特性，揭示系統的結構參數與動態性能之間的數學表達式稱為數學模型。例如：微分方程、差分方程、統計學方程、傳遞函數、頻率特性式以及各種響應式都稱為數學模型。典型信號——有正弦信號、單位脈沖信號、單位階躍信號斜坡信號、單位加速度信號、指數信號等。2023/2/529拉氏變換汽車工程測試技術基礎一、拉氏變換的定義若為時變數

的函數，且時，。則函數的拉氏變換定義為：式中：——拉氏變換符號＝б+jω為復數，有時稱變量S為復頻域——的拉氏變換函數，即象函數——對應為的原函數2023/2/530汽車工程測試技術基礎二、典型時間信號函數（信號）的拉氏變換1、正弦信號函數由歐拉公式：2023/2/531汽車工程測試技術基礎拉氏變換為：2023/2/532汽車工程測試技術基礎2、單位階躍信號函數拉氏變換為：推廣到常數K的拉氏變換為：2023/2/533汽車工程測試技術基礎3、指數信號函數拉氏變換為：2023/2/534汽車工程測試技術基礎4、斜坡信號函數拉氏變換為：2023/2/535汽車工程測試技術基礎5、單位加速度信號函數拉氏變換為：2023/2/536汽車工程測試技術基礎6、單位脈沖信號函數定義：拉氏變換為：2023/2/537汽車工程測試技術基礎三、拉氏變換表象函數原函數象函數原函數表2－1拉氏變換表2023/2/538汽車工程測試技術基礎四、拉氏變換定理1、線性定理若是任意兩個復常數，且（即的拉氏變換存在），則證明：可見：時間函數和的拉氏變換等于每個時間函數拉氏變換之和。例1：已知，求。2023/2/539汽車工程測試技術基礎2、平移定理若，則有證明：可見：在時域中乘以的效果，是其在復變量域中把平移為，是復域平移定理，對求算有指數時間函數項的復合時間函數的拉氏變換時較方便。例2：求。2023/2/540汽車工程測試技術基礎3、微分定理若，則有式中為函數在時刻的值，即為的初始值證明：此處采用分部積分法：，取2023/2/541汽車工程測試技術基礎同理，二階導數的拉氏變換為：階導數的拉氏變換為式中分別為各階導數在時的值。如果這些初始值均為零，則有：例3：求的拉氏變換。2023/2/542OH3.1汽車工程測試技術基礎4、積分定理若，則式中是在時刻的值，或稱積分的初始值。證明：2023/2/543汽車工程測試技術基礎同理：式中分別是的各重積分在時刻的值。若這些積分的初始值均為零，則有：例4：求。2023/2/544汽車工程測試技術基礎5、終值定理若，則證明：由微分定理令，有又因，得2023/2/545汽車工程測試技術基礎由以上兩式及s與f(0)無關，有：得到：所以：例5：已知，求2023/2/546汽車工程測試技術基礎6、初值定理證明：由拉氏變換的定義：由于：所以：因而：例6：已知，求7、卷積定理2023/2/547汽車工程測試技術基礎（一）線性系統及其主要性質時不變系統——系統的特性不隨時間而變化。線性系統——系統的輸入、輸出能保持良好的一一對應關系。大多數測試裝置的數學模型均可以近似成一個線性時不變系統，其輸入和輸出之間的關系，可用微分方程表示：

若系數和均為常數，則上述方程為常系數微分方程。一、測試裝置的傳遞函數及其頻率響應特性（2－2）2023/2/548汽車工程測試技術基礎若用表示系統的輸入、輸出對應關系，則常系數線性系統具有如下基本性質：（1）疊加特性幾個輸入同時作用于系統時的輸出，等于這些輸入單獨作用于系統時的輸出的總和，即：（2）比例特性當系統輸入增遞大若干倍，其輸出也增大若干倍。即：其中：——任意常數2023/2/549汽車工程測試技術基礎（3）微分特性系統對微分輸入的響應，等同于原輸入響應的微分，即：（4）積分特性若系統的初始狀態為零，則系統對輸入積分的響應等同于原輸入響應的積分。即：（5）頻率保持性若系統輸入為某一頻率的正弦（余弦）激勵，則其穩態輸出也將只有該同一頻率而不改變。2023/2/550汽車工程測試技術基礎證明：根據常系數線性系統的比例特性和微分特性，有：再運用疊加特性，有：令輸入為一個正弦激勵，即，其二階微分為：則：相應的輸出為：于是輸出唯一的一種可能可能解就是：頻率保持性在動態測試中具有重要的作用：若已知系統是線性的，其輸入的激勵頻率已知，那么測量信號中就只有與激勵頻率相同的頻率成分才可能是由該激勵引起的振動，而其它頻率完全是噪聲干擾。2023/2/551汽車工程測試技術基礎（二）傳遞函數傳遞函數——將輸出量和輸入量兩者的拉氏變換之比定義為傳遞函數，用表示。實際的測試系統在一定誤差范圍內和一定量程范圍內看成時不變線性系統，通常可用式（2－2）來描述輸出和輸入之間的關系。可對微分方程進行拉氏變換求傳遞函數來表示其動態特性。若系統初始條件為零，則對式（2－2）進行拉氏變換，得：

（2－3）（2－4）2023/2/552汽車工程測試技術基礎（1）式（2－4）表征了系統的傳輸、轉換特性，是一種對系統特性的解析描述，包含了瞬態、穩態時間響應和頻率響應的全部信息；（2）式（2－4）分母中

的冪次

代表系統微分方程的階數；（3）描述了系統本身的動態特性，與輸入量無關；（4）不說明系統的物理結構，不管是電路系統還是機械系統，只要動態特性相似，就可以用同一類型的傳遞函數來描述（三）環節并聯和串聯的測試系統從數學表達式出發，可將一個復雜的系統看成由一些典型環節組成，這些典型環節的傳遞函數比較容易求得。環節是從動態特性的角度來看的，即典型環節是以數學模型來劃分的，其傳遞函數具有典型性。一個典型環節是由一個或幾個不同的元件組成的（如圖）。2023/2/553汽車工程測試技術基礎LRC電路環節串聯兩個環節串聯：類似地，由n個環節串聯組成的系統，有:（2－5）2023/2/554汽車工程測試技術基礎環節串聯兩個環節并聯時，因為：所以其傳遞函數為：n個環節并聯組成的系統，其傳遞函數為：（2－6）2023/2/555汽車工程測試技術基礎（四）傳遞函數的分解

假設(2-4)式中則可將其簡化為：分母是變量s的實系數多項式，它總可以分解為一次和二次的實系數因子式：（2－7）式（2－7）中：——零階系統傳遞函數——一階系統傳遞函數——二階系統傳遞函數2023/2/556汽車工程測試技術基礎

一個復雜的高階系統總可以看成是由若干零階、一階和二階系統串聯而成。（五）頻率響應函數對穩定的常系數線性系統，取代入式（2－4）得到系統的頻率響應函數（頻率響應特性）：對于一個穩定的常系數線性系統，若輸入為一正弦函數，則穩態時的輸出也是與輸入同一頻率的正弦函數。輸出的幅值和相位角一般與輸入的不相等，輸出、輸入幅值的比值和相角差是輸入頻率的函數，并反映在的模和相角上。2023/2/557汽車工程測試技術基礎將的實部和虛部分開記作：——的實函數曲線——系統的實頻特性曲線曲線——系統的虛頻特性曲線其中：

——系統的幅頻特性——系統的相頻特性2023/2/558汽車工程測試技術基礎其中：和統稱為頻率響應特性曲線稱為幅頻特性曲線;曲線稱為相頻特性曲線頻率響應的圖形表示法

⑴幅頻特性曲線和相頻特性曲線。以ω為自變量，以A（ω）和φ（ω）為因變量畫出曲線。它表示輸出與輸入的幅值比和相位差隨頻率ω的變化關系。⑵波特(Bode)圖。對自變量ω取對數lgω作為橫坐標，以20lgA(ω)和φ(ω)作縱坐標，畫出的曲線。它把ω軸按對數進行了壓縮，便于對較寬范圍的信號進行研究，觀察起來一目了然，繪制容易，使用方便。2023/2/559汽車工程測試技術基礎⑶奈奎斯特圖。將H（jω）的虛部和實部分別作為縱橫坐標畫出的圖形。它反映了頻率變化過程中系統過程中系統響應H（jω）的變化。2023/2/560汽車工程測試技術基礎二、典型測試裝置的動態響應特性（一）典型測試裝置的分類慣性加速度計/RLC電路/膜片式壓力傳感器/光線示波器振子二階系統RC濾波器/LC諧振測量電路/彈簧—阻尼機械系統時間常數一階系統電位式位移傳感器/寬頻帶電子放大器零階系統舉例特性參數傳遞函數微分方程靜態靈敏度固有圓頻率阻尼比靜態靈敏度靜態靈敏度表2－1測試裝置分類2023/2/561汽車工程測試技術基礎（二）一階系統拉氏變換一階系統的頻率響應1、一階系統的頻率響應2023/2/562汽車工程測試技術基礎忽略質量的自由振動系統2、一階系統實例拉氏變換

——彈簧剛度系數，為儲能元件——阻尼系數，為耗能元件——系統的時間常數其幅頻特性和相頻特性分別為：2023/2/563汽車工程測試技術基礎簡單RC低通濾波電路2、一階系統實例拉氏變換

——電容，為儲能元件——電阻，為耗能元件——系統的時間常數其幅頻特性和相頻特性分別為：2023/2/564汽車工程測試技術基礎（三）二階系統1、二階系統的頻率響應拉氏變換其中：——靜態靈敏度——固有圓頻率

——阻尼比若S=1,令,代入，可得二階系統頻率響應特性：2023/2/565汽車工程測試技術基礎其幅頻和相頻特性分別為：2023/2/566汽車工程測試技術基礎考慮到質量的影響，寫出系統的動力學方程如下：經拉氏變換，得：其中：，然后可求出其頻率響應特性。

2、二階系統實例

彈簧－質量－阻尼系統2023/2/567汽車工程測試技術基礎電流方程為：其中：所以：拉氏變換其中：，然后可求出其頻率響應特性。

LRC電路2023/2/568汽車工程測試技術基礎一、單位階躍輸入系統的響應研究測試系統動態特性的目的，是為了確定系統輸出與輸入間的差異，以提高測試精度。第四節測試裝置在典型輸入下的動態響應二階一階輸出輸入2023/2/569汽車工程測試技術基礎動態誤差——輸入量值和它所對應的響應函數值（輸出值）之差稱為測試裝置的動態誤差。一階系統對單位階躍輸入的響應1、一階系統的階躍響應函數為指數曲線響應函數曲線在t＝0點處的切線斜率等于，這是一階系統單位階躍響應的一個特點。根據此特點，可在測試系統參數未知的情況下，由一階系統的單位階躍響應試驗曲線來確定其時間常數。2023/2/570汽車工程測試技術基礎2、時間常數越小，響應函數上升速度越快，達到穩態值所用的時間越短，也就是系統的慣性越小；反之，越大，系統對信號的響應越慢，慣性越大。3、調整時間——系統從響應開始到進入穩態所經過的時間稱為調整時間。4、測試裝置響應速度一般以系統相應時間t作為衡量測試裝置相應速度的特性參數；響應時間——在某一個給定的動態誤差范圍內，系統瞬態過程結束所需要的時間。時，系統的動態誤差在2％～5％之間，可認為已達到穩態，所以通常被用來作為一階測試系統響應速度的指標。2023/2/571汽車工程測試技術基礎二階系統對單位階躍輸入的響應1、二階系統的響應取決于阻尼比和固有圓頻率越高，系統的響應越快；影響超調量和振蕩次數。超調量——響應曲線上超出穩態值的偏離量。時,超調量為100％，并且持續不斷地振蕩下去，達不到穩定；時，系統退化成兩個一階環節的串聯，不發生振蕩，達不到穩定；時，最大超調量在2.5％～10％之間，以允許2％～5％的誤差趨近穩態的調整時間最短：所以很多測試裝置在設計時阻尼比常選在此范圍。2023/2/572汽車工程測試技術基礎二、單位正弦輸入系統的響應二階系統一階系統輸出輸入，K1和K2是取決于和的常數。2023/2/573汽車工程測試技術基礎1、一階系統對單位正弦輸入的響應（1）單位正弦信號輸入一階測試系統時，其輸出與輸入的頻率不變，幅值有衰減，相位滯后，時間上延遲秒。2023/2/574汽車工程測試技術基礎由一階系統的頻率響應函數H(jω),可得其幅頻和相頻分別為:一階系統的幅頻特性曲線和相頻特性曲線如下圖所示。可見：①幅值比A（ω）隨ω的增大而減小。A（ω）和φ（ω）的變化表示輸出與輸入之間的差異，稱為穩態響應動態誤差。2023/2/575汽車工程測試技術基礎②系統的工作頻率范圍取決于時間常數τ。在ωτ較小時，幅值和相位得失真都較小。當ωτ一定時，τ越小，測試系統的工作頻率范圍越寬。因此為了減小一階測試系統得穩態響應動態誤差，增大工作頻率，應盡可能采用時間常數τ小的測試系統。2023/2/576汽車工程測試技術基礎2、二階系統對單位正弦輸入的響應（1）單位正弦信號輸入二階測試系統時，其輸出與輸入的頻率不變。（2）單位正弦信號輸入二階測試系統的頻率相應特性如下圖分析：1）當ζ較小時，在ω/ωn=1附近，輸出振幅A（ω）>>12）當ζ較大時，輸出振幅值A（ω）<1;這兩種情況A（ω）≈1的圓頻率范圍都較小；3）當ζ＝0.6～0.8范圍內A（ω）=1的頻率范圍最大，此時相位角φ（ω）與頻率比ω/ωn成線性關系，可在較大的頻率范圍內，穩態響應的動誤差較小，二階系統的ζ一般為0.6～0.8。2023/2/577汽車工程測試技術基礎4）系統固有圓頻率ωn越高，動態誤差小的工作頻率范圍越寬；反之，ωn越高低，測試系統的工作頻率范圍越寬。當ζ＝0.7左右時，在ω/ωn<0.58范圍內，幅值誤差不超過5％；5）共振頻率——幅制達到最大值時，對應輸入信號的圓頻率6）相位共振法測定系統的固有圓頻率，當時，相位滯后為90?，不斷改變輸入信號的圓頻率，并測定系統的相位滯后角，當時，輸入信號的圓頻率即為系統的固有圓頻率。2023/2/578汽車工程測試技術基礎三、單位脈沖輸入和測試系統的脈沖響應響應二階系統一階系統輸出輸入2023/2/579汽車工程測試技術基礎1、單位脈沖輸入理想的單位脈沖輸入不存在，當作用時間小于，可以近似的認為是單位脈沖輸入。2、測試系統的脈沖響應一階測試系統：其單位脈沖響應的特性取決于時間常數τ。時間產常數τ大的系統,其響應速度低于時間常數τ小的系統.二階測試系統：時，響應圍繞零值作正負之間的衰減振蕩；時，響應無振蕩。2023/2/580汽車工程測試技術基礎四、單位斜坡輸入和測試系統的響應二階系統一階系統輸出輸入2023/2/581汽車工程測試技術基礎單位斜坡輸入的一階和二階系統輸出的時域函數的公式包括三項：第一項t等于輸入；第二項只與測試裝置的特性參數有關，與時間t無關，此項誤差稱為穩態誤差；第三項所規定的誤差與時間t有關，輸出量總是滯后于輸入一段時間。這一項都含有因子，因此，當時，此項誤差趨于0。所以，一階和二階測試裝置輸入斜坡信號時，都存在穩態誤差，并且隨時間常數的增大或固有頻率減小及阻尼比的增大，穩態誤差也相應地增大。2023/2/582汽車工程測試技術基礎2.5實現不失真測試的條件1、實現不失真測試的條件也就是說，理想的測試系統幅頻特性應當是常數，相頻特性應該是線性關系。（1）若測試的目的是精確地測試出輸入波形，上述條件即可滿足要求；（2）若測試結果要用來作為反饋控制的信號，還要求相頻特性為0，即：2023/2/583汽車工程測試技術基礎2、一階系統越小，則系統裝置的響應越快，動態誤差越小，失真小的頻率范圍越寬。所以，原則上越小越好，（1）簡單機械系統：（2）電測系統：（3）因為a0與靈敏度有關，其值通常是根據靈敏度的要求來確定的，所以只有通過改變a1值以滿足時間常數較小的要求。2023/2/584汽車工程測試技術基礎3、二階系統頻率特性受的影響較大，一般當時，對于輸入信號在2023/2/585汽車工程測試技術基礎第三章傳感器

1、傳感器——將被測物理量轉換為與之相對應的、容易檢測、傳輸或處理的信號的裝置。

2、傳感器的作用：（1）感知被測量的變化，即敏感作用；（2）擔負著信號轉換的任務，如將力、應力、壓力、轉矩、位移、速度、加速度、溫度、流量等被測非電物理量轉換成與之對應的，容易傳輸或處理的電量或電參量。

3、傳感器的組成傳感器一般由敏感元件和轉換元件組成。傳感器的輸出信號一般都很微弱，需要有信號調節與轉換電路將其放大或轉換為容易傳輸、處理、記錄和顯示的形式。2023/2/586汽車工程測試技術基礎

4、傳感器的分類按其工作原理可分為兩類：（1）發電式傳感器——將非電量轉換為電動勢；（2）參量式傳感器——把所測非電量轉換為電阻、電感及電容等電參量的變化。

5、對傳感器的要求（1）傳感器的輸出量必須與被測非電量有單值函數，并盡可能為線性關系；（2）傳感器具有較高的精確度和靈敏度，良好的穩定性和動態特性；（3）傳感器結構簡單、經久耐用、密封防潮、具有一定的抗振性能和對測量環境有較強的適應性。2023/2/587汽車工程測試技術基礎分類方法傳感器的種類說明按輸入量分位移、速度、溫度、壓力傳感器等傳感器以被測物理量命名按工作原理分應變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式傳感器等傳感器以工作原理命名按物理現象分結構型傳感器傳感器依賴其結構參數變化實現信息轉換物性型傳感器傳感器依賴其敏感元件物理特性的變化實現信息轉換按能量關系分能量轉換型傳感器傳感器直接將測量的能量轉換為輸出量的能量能量控制型傳感器由外部供給傳感器能量，由被測量來控制輸出的能量按輸出信號分模擬式傳感器輸出為模擬量數字式傳感器輸出為數字量表3－1傳感器的分類2023/2/588汽車工程測試技術基礎

第一節電阻應變片式傳感器一、電阻應變片電阻應變片是一種將應變轉換成電阻變化的置換元件。可測應變、應力和力、轉矩、壓強、位移、溫度及加速度等物理量。1、應變片的構造和工作原理（1）應變片由敏感元件、基底、引線和蓋片組成。敏感元件：感知被測量的變化基底、蓋片：保持金屬線柵的幾何形狀引線：把應變片的線柵連接到測量電路2023/2/589汽車工程測試技術基礎

2、工作原理一根長為L、截面積A、電阻率為的金屬導線，其電阻為：導線被拉伸時，其長度增加，截面積減小，電阻也發生變化：因為：所以：被稱為導線材料的靈敏系數。2023/2/590汽車工程測試技術基礎應變片的幾何形狀發生變化引起的靈敏系數的變化。表示金屬導線的電阻變化率與其軸線方向的應變之間的關系。應變片材料的電阻率發生變化引起的靈敏系數的變化。2、應變片的特性（1）應變片的靈敏系數K當試件在一維應力作用下，應變片主軸線與主應力方向一致時，應變片的電阻變化率與試件主應力方向的應變之比。2023/2/591汽車工程測試技術基礎（2）應變片的橫向效應應變片對垂直于其主軸線方向應變的響應，稱為應變片的橫向效應。（3）應變片的動態特性

（4）應變片的溫度特性環境溫度變化時，由于電阻絲的電阻溫度系數而產生的電阻變化率為：試件的線膨脹系數為，電阻絲的線膨脹系數為，則電阻絲的附加應變為，由其引起的電阻變化為：2023/2/592汽車工程測試技術基礎則貼在試件上的應變片的總的電阻變化為：——應變片的電阻溫度系數，表達了應變片對溫度影響的敏感程度。由于應變片存在電阻溫度系數，試件雖無外力作用，但由于環境溫度變化，應變片的電阻值也會變化，給測量結果帶來誤差。（4）應變片的線性及滯后應變片的線性——粘貼在試件上的應變片，其電阻變化率和應變之比為常數。應變片的滯后——粘貼在試件上的應變片作特性曲線時，其加載與卸載曲線不重合。2023/2/593汽車工程測試技術基礎（6）應變片的零漂和蠕變應變片的零漂——在試件不受力的情況下，在某恒定溫度時，粘貼在試件上的應變片的指示應變值隨時間而變化的情況。應變片的蠕變——粘貼在試件上的應變片，在某恒定應變下及不變的溫度環境中，其指示應變隨時間而變化的情況。

（7）應變片的應變極限——指應變片能夠測量的最大應變值。

（8）應變片的電阻值——指應變片在未經安裝也不受外力的情況下，于室溫時測得的電阻值。2023/2/594汽車工程測試技術基礎（9）應變片的幾何尺寸基長（標距）——敏感柵的縱向長度，一般2～30mm；基寬——敏感柵的橫向寬度，一般<10mm。(10)應變片的絕緣電阻——指敏感柵與基底間的電阻值（>1010）（11）應變片的允許電流——不因電流產生熱量影響測量精度時，應變片允許通過的最大電流。允許電流要根據應變片的阻值，并結合電路的具體情況計算。為確保測量精度，在靜態測試時一般為25mA，動態測試時為75～100mA。2023/2/595汽車工程測試技術基礎

2、應變片的種類與結構特點（1）金屬絲式應變片圓角線柵式：橫向效應大直角線柵式：連接金屬絲的是比金屬絲直徑大5～10倍的鍍銀金屬絲金屬絲式應變片的基底有紙基和膠基兩種，分別稱為紙基應變片和膠基應變片。2023/2/596汽車工程測試技術基礎

（2）金屬箔式應變片優點：與粘和層接觸面積大，能更好地隨同試件變形；受交變載荷時疲勞壽命長，在長時間測量時蠕變小；散熱條件好，允許通過較大的電流，這樣可以采用較高的電壓供給測量電橋，以增加輸出。2023/2/597汽車工程測試技術基礎（3）半導體應變片優點：靈敏系數高、機械滯后小、橫向效應小。缺點：溫度穩定性差、測量大應變時非線性較嚴重、靈敏系數的離散程度大（測量結果誤差大）2023/2/598汽車工程測試技術基礎4、應變片的粘貼技術粘合劑有：有機粘合劑、無機粘合劑粘貼工藝：（1）試件表面清洗（2）應變片的粘貼（3）固化（4）粘貼質量的檢查（5）連接線的安裝（6）應變片的防潮與保護2023/2/599汽車工程測試技術基礎

二、電阻應變片式傳感器1、應變片式傳感器由彈性元件、應變片及附件組成；彈性元件在被測物理量的作用下，產生一個與其成正比的應變，然后用應變片作為傳感元件將應變轉變為電阻的變化。

2、拉、壓力傳感器的組成——是測量集中力的測力（拉力或壓力）傳感器，是拉力或壓力傳感器。拉壓力傳感器的彈性元件有：柱式、環形、梁式彈性元件三種。2023/2/5100汽車工程測試技術基礎（1）柱式彈性元件特點：結構簡單、緊湊、可承受很大的載荷。兩種形式：按其截面形狀可分為矩形和圓柱形，多采用薄壁圓筒形結構。受力：彈性元件不僅受壓力或者拉力，還受橫向力和彎矩，斷面上應力分布不均勻。減少橫向力和彎矩的影響：通過適當的布片和接橋；采用空心結構，增大抗彎斷面系數，減小彎曲應力、提高抗干擾能力；采用承彎膜片，膜片裝在剛性外殼上，當載荷作用在膜片的平面內時，其剛性很大，當載荷垂直于膜片平面時，其剛性很小。膜片承受了大部分彎矩和橫向力，對靈敏度的影響較小。2023/2/5101汽車工程測試技術基礎（2）環形彈性元件特點：結構簡單、自振頻率高、堅固且穩定性好、應力分布變化大、應力有正有負、（3）梁式彈性元件特點：靈敏度高、適用于測量小載荷梁式彈性元件是一種特殊形式的等強度懸臂梁，其截面沿梁長方向按一定規律變化，當集中力F作用在自由端時，距作用力任意距離的截面上應力相等。2023/2/5102汽車工程測試技術基礎

2、轉矩傳感器轉矩的測量方法：通常是將轉矩傳感器直接串接到各種機械的傳動系統中。貼片方式：當圓軸受純轉矩時，在與其軸母線成45度角的方向為主應力方向，而且相互垂直方向上的拉、壓主應力絕值對相等，符號相反，因此可沿與軸母線成45度的方向垂直貼片。受力特點：除受轉矩外，還受軸向力和彎矩的作用受力特點：除受轉矩外，還受軸向力和彎矩的作用為消除軸向力和彎矩，其布片方式如圖所示。

2023/2/5103汽車工程測試技術基礎3、壓力、壓強傳感器應用：廣泛應用于測量液體或氣體壓力、內燃機汽缸的指示壓力、液壓、壓差、噴射壓力；汽車輪胎與地面接觸面間的壓力分布。（1）膜片式壓力傳感器應用：測量氣體、液體壓力、犁鏵表面土壤壓力、地面對輪胎表面的作用力。彈性元件：圓形金屬膜片受力分析：當壓力作用在膜片上使其變形后，在膜片周邊上，切向應變為零，而徑向應變為負且絕對值最大；在中心處，切向應變與徑向應變相等，都達到正的最大值。布片方式如圖所示。2023/2/5104汽車工程測試技術基礎（2）筒式壓力傳感器彈性元件：一端有凸緣且具有盲孔的圓筒。受力分析：圓筒被裝置在被測的液壓系統中，內腔與被測壓力場相通時，圓筒內充滿壓力油，在油壓作用下外壁貼著應變片的圓筒產生相應的變形，從而實現了油壓至圓筒變形的變換，應變片再進一步把圓筒的變形轉換成電量輸出。貼片：沿著圓周線的切應力為橫斷面上軸向應力的兩倍，所以應變片沿著圓周方向粘貼。在圓筒的頂端實心部分無變形，可用以粘貼溫度補償片，和工作片一起構成半橋輸出。2023/2/5105汽車工程測試技術基礎4、加速度傳感器工作原理：端部固定有重塊m的懸臂梁，根部貼有應變片R1、R2。如果將梁的底座固定在沿箭頭v方向運動的汽車上，當汽車突然制動時，加速度的方向如加速度a的箭頭所示。重塊m受慣性力F的作用以箭頭一的方向相對于底座運動，使梁發生變形，應變片電阻發生變化。當汽車加速度時，重塊m沿箭頭2的方向相對于底座運動。這時，電橋輸出電壓極性與前一種運動相反。2023/2/5106汽車工程測試技術基礎第二節電感式傳感器一、電感式傳感器的工作原理和類型1、電感式傳感器的工作原理電感式傳感器是利用電磁感應原理將被測的非電物理量轉換為電感量的變化。2、電感式傳感器的分類：（1）自感式傳感器：把被測位移變換為線圈自感量的變化。（2）互感式傳感器：把被測位移變換為線圈互感量的變化。2023/2/5107汽車工程測試技術基礎3、自感式傳感器圖示的線圈中的電感L為：其中磁路的磁阻為：所以：由上式可知通過改變氣息厚度和氣隙截面積都能使通過線圈的電感量發生變化。因此，自感式傳感器又包括磁路氣隙變化式（改變氣隙厚度式和改變氣隙截面積式）和可動鐵芯式兩種。2023/2/5108汽車工程測試技術基礎（1）型自感式傳感器型自感式傳感器特性曲線是一條雙曲線，如圖所示。其靈敏度為：可見型自感式傳感器的靈敏度與氣隙厚度成反比，越小，靈敏度越高。2023/2/5109汽車工程測試技術基礎（2）S型自感傳感器S型自感傳感器的特性曲線是一條直線，即電感與氣隙截面積成正比。其靈敏度為：

可見A型自感式傳感器的靈敏度與氣隙厚度成反比，越小，靈敏度越高。2023/2/5110汽車工程測試技術基礎（3）螺旋管式自感傳感器特點：鐵芯在線圈形成的圓柱形空間中移動，從而在線圈中產生自感。（4）差動式自感傳感器特點：具有兩個完全相同的線圈和一個公共銜鐵，當銜鐵的位置變動時，一個線圈的電感增加，另一個線圈的電感減小。靈敏度是普通傳感器的兩倍，并減少了環境溫度變化、電源電壓波動和非線性等引起的誤差。2023/2/5111汽車工程測試技術基礎4、互感式傳感器特點：在線框上繞有一次側線圈N1，線框的兩端繞有二次側線圈N2a和N2b，線框的中央圓柱孔中放入可移動的鐵芯。當一次側線圈通入一定頻率的交流電壓時，在兩組二次側線圈中產生互感應電動勢，將兩互感電動勢接成反向串聯，傳感器會有一個輸出電壓：（1）鐵芯在中間位置時，一次側線圈產生的磁力線通過兩個二次側線圈N2a和N2b的部分相等，互感電動勢e2a與e2b相等，輸出電壓為零。2023/2/5112汽車工程測試技術基礎(2)當鐵芯向下移動時，在二次側線圈N2b中穿過的磁通增多，因而e2b也增大；而在二次側線圈N2a中穿過的磁通減小，e2a也減小，這時輸出電壓大小為，輸出電壓的極性與e2b相同。當鐵芯向上移動時,情況恰好相反。2023/2/5113汽車工程測試技術基礎二、電感式傳感器的應用1、電感式傳感器的優點：結構簡單、測量力小、工作可靠、測量范圍廣、零點穩定、靈敏度高、輸出功率大。2、電感式傳感器的缺點：頻率響應差，不宜用于快速動態測量；傳感器分辨率與測量范圍有關，測量范圍越大，分辨率越低，反之亦然。3、電感式傳感器的應用（1）直接測量位移和角位移（2）通過一定的感受機構對能夠轉換成位移量的其它物理量，如振動、張力、壓力和流量等進行測量。（3）測量零件的膨脹、伸長、應變和移動等。2023/2/5114汽車工程測試技術基礎第三節電容式傳感器一、電容式傳感器的工作原理可見，若改變A、d或參數中的任一參數，電容器的電容量均會隨之改變。電容式傳感器的工作原理是將被測物理量的變化轉換為電容量的變化。考慮平行極板電容器，當忽略電容器邊緣效應時，其電容量為：二、電容式傳感器的類型2023/2/5115汽車工程測試技術基礎根據改變不同的參數來實現傳感器電容量的變化，將電容式傳感器分為：改變極板間距式改變極板相對有效面積式改變極板間介電常數式1、改變極板間距式（d型）電容傳感器假定電容器極板面積為A，初始極板間距為d0,介電常數為，則電容器的初始電容值為：2023/2/5116汽車工程測試技術基礎如果兩極板間間距減小，設電容增量為，則有：如果，則上式按泰勒級數展開為：略去高次項，可得到電容增量與極板間距變化量之間的近似線性關系式：2023/2/5117汽車工程測試技術基礎電容傳感器的靈敏度定義為：可見，若使傳感器的輸出與輸入間具有較好的線性關系，極板間距變化量要盡可能小，以保證。另外，若要提高傳感器靈敏度，應盡可能降低電容器極板間的原始間距。所以這種傳感器適用于小位移測量。差動式電容傳感器原因：采用差動式結構可提高輸出靈敏度、減小非線性。當極板移動時，若假定C1的間距減小為，C2的間距增大為，則有：2023/2/5118汽車工程測試技術基礎電容器總的電容變化量為：電容量的相對變化值為：若，略去高次項，上式可變為：則這種差動式傳感器的靈敏度為：2023/2/5119汽車工程測試技術基礎2、改變極板相對有效面積式（S型）電容傳感器假定初始狀態時電容器的電容量為，改變極板間相對有效面積后，電容器的電容量為Cx，則有：這種傳感器輸入與輸出間具有線性關系，所以適用于大位移測量。這種傳感器也可以做成差動式。電容器還可做成扇形、柱面形和圓筒形。2023/2/5120汽車工程測試技術基礎3、改變極板間介電常數式（型）電容傳感器圖示是一種傳感器測定液面高度的工作示意圖，假定電容器的初始電容值為C0，介電常數改變后電容器的電容值為：電容器的結構特性常數k與電容器結構、真空介電常數及被測介質有關。當傳感器結構與被測介質性質確定后，電容器的電容量僅與被測介質高度有關2023/2/5121汽車工程測試技術基礎三、電容式傳感器的應用1、電容式傳感器的優點：體積小、功耗低、精度高、穩定性好、所需驅動機械力小。2、電容式傳感器的缺點：（1）極板間距盡可能小，制造裝配困難；（2）測量電路中接線與其它元件的寄生電容易引起測量誤差。（3）采用高頻測量電路，放大與傳輸時排除分布電容的干擾困難；（4）結構與調整復雜。3、電容式傳感器的應用（1）直接測量位移和角位移；（2）通過一些中間轉換手段，還可用于振動、噪聲、壓力等物理量的測量。2023/2/5122汽車工程測試技術基礎4、電容式傳感器的應用實例（1）噪聲測量——振動膜片與背板構成測量電容器，聲源的聲壓作用于振動膜片上，使膜片與聲波一起振動，從而改變電容器的電容量，通過測量電路，將電容量轉換為電壓量輸出，實現噪聲測量。（2）發動機壓力測量——采用電容式壓力傳感器與調諧電子元件組成振蕩回路。當氣缸內壓力發生變化時，傳感器電容量隨之改變，從而導致電路中的振蕩頻率發生變化。通過測量電路，振蕩頻率變化轉換為電壓變化，實現氣缸內壓力的測量。2023/2/5123汽車工程測試技術基礎第四節壓電式傳感器一、壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器是基于某些物質具有壓電效應。一些晶體如石英、壓電陶瓷及鋯鈦酸鋇等，當沿一定方向對其施加外力時，警惕不僅產生機械變形，而且其內部產生極化現象，從而在相對表面上出現異性電荷，形成電場。當外力去掉后，晶體又恢復到不帶電狀態。這種物理現象被稱為壓電效應。壓電效應所產生的電荷量與作用力成正比：二、壓電式傳感器的類型2023/2/5124汽車工程測試技術基礎采用兩個或兩個以上晶片壓電材料組成壓電式傳感器時，由于壓電材料具有極性，因此有不同的連接方法。壓電材料具有很高的內阻，且輸出能量微弱，因此必須配備具有很高輸入阻抗的前置放大裝置進行阻抗匹配與前置放大。根據傳感器的連接方式及輸出信號的不同，壓電式傳感器分為：電荷放大式（并聯）電壓放大式（串聯）1、電荷放大式電荷放大器的電路特點是其輸出電壓只與傳感器產生的電荷輸入量及放大器反饋電容有關，而與構成電路的電纜所形成的分布電容和信號頻率無關。2023/2/5125汽車工程測試技術基礎2、電壓放大式電壓放大器的輸出電壓與輸入電壓成正比，但也與被測信號頻率及測量電路分布電容有關。三、壓電式傳感器的應用1、壓電式傳感器的優點尺寸小、結構簡單、重量輕、工作可靠、頻率響應范圍寬。2、壓電式傳感器的應用（1）壓力、應力、振動、加速度；（2）發動機內部的燃燒壓力及其真空度、車輪接地壓力。2023/2/5126汽車工程測試技術基礎3、壓電式傳感器的應用實例——壓電式加速度傳感器測量時，通過基座底部的螺孔將傳感器與試件剛性固接，從而使傳感器承受與試件相同頻率的振動。由于慣性力的作用，質量塊對壓電片會施加一正比于加速度的交變力。由于壓電效應，在壓電片兩表面上就會產生電荷。電荷輸出量與作用力成正比，即與試件加速度成正比，從而實現加速度測量。所測加速度信號也可被送入積分電路，從而間接測量振動物體的線速度與線位移。2023/2/5127汽車工程測試技術基礎第五節磁電式傳感器一、磁電式傳感器的工作原理磁電式傳感器是一種可將被測非電物理量轉換成感應電動勢的傳感器。由磁感應定律可知，當通過閉合導電回路面積內的磁通量發生變化時，回路內就會產生感應電動勢，其大小與磁通量的變化率有關，即：磁通量的變化率與磁場強度、磁路磁阻及導線運動速度有關。2023/2/5128汽車工程測試技術基礎一、磁電式傳感器的類型根據結構型式的不同，磁電式傳感器可分為：動圈式和磁阻式兩類。1、動圈式（1）線圈作直線運動右圖所示線圈中的感應電動勢為：N——線圈匝數B——磁場磁感應強度l——單匝線圈的有效長度v——線圈相對于磁體的運動速度當傳感器結構確定后，N，B，l為常數，感應電動勢僅與線圈運動速度有關，且為線性關系。2023/2/5129汽車工程測試技術基礎（2）線圈轉動線圈內產生的感應電動勢為：A——單匝線圈的截面積——線圈轉動的圓頻率——線圈運動方向與磁場方向的夾角當傳感器結構確定后，N、B和A為常數，感應電動勢的大小與圓頻率有關。這種傳感器常用于角速度測量。另外，也可以將線圈固定，使永久磁鐵相對于線圈運動，也可以構成磁電式傳感器。2023/2/5130汽車工程測試技術基礎2、磁阻式線圈與磁鐵均固定，使某種由導磁材料制成的物體運動來改變磁路的磁阻，從而改變貫穿線圈的磁通量，使線圈內產生的感應電動勢發生變化。右圖所示的結構中，當導磁物體旋轉時，磁阻因兩磁極間空氣隙發生變化而變化。三、磁電式傳感器的應用1、磁電式傳感器的應用范圍具有較高的靈敏度，經常用于測量位移、速度和加速度等。2023/2/5131汽車工程測試技術基礎2、磁電式傳感器的應用實例（1）磁電式測振計（動圈式）右圖所示的結構中，將測振計與被測振動物體緊固在一起。當物體振動時，測振計內的線圈在慣性作用下產生往復運動，從而改變其產生的感應電動勢。由于傳感器輸出與振動物體線速度成正比，所以可直接用于測量振動速度，因此也被稱為磁電式速度計。如果將這種傳感器的輸出送入微分或積分電路，則可以實現振動物體的加速度與位移測量。優點：由于磁電式傳感器質量較大，固有頻率較低，當被測信號頻率較低時，也具有理想的幅頻特性。缺點：體積大，安裝固接難，難于適應質量小、結構復雜及運動空間狹小的測振對象。2023/2/5132汽車工程測試技術基礎（2）磁電式轉矩傳感器（變磁阻式）當彈性軸轉動時，由于磁鋼與齒輪間氣隙的變化，從而改變了磁阻，這樣就在信號線圈中分別感應出兩路脈沖信號。在彈性軸不受轉矩作用時，兩路脈沖信號的相位差是一個常數。當彈性軸受到轉矩作用時，由于扭轉變形而使兩路脈沖信號的相位差發生變化，其變化量與外加轉矩成正比。將脈沖信號送入專用轉矩儀，相位差被變換為當量電壓輸出，并可用數字形式顯示轉矩。優點：由于采用了感應式非接觸傳輸方式，具有很好的穩定性和測量精度。2023/2/5133汽車工程測試技術基礎（3）磁電式轉速計右圖所示的結構中，旋轉盤與被測旋轉件固接并隨之旋轉，而傳感器固定不動。旋轉盤上的每個齒經過磁極時都會在線圈中感應出一個脈沖信號，將次信號送入二次儀表進行整形放大并對其計數，由于旋轉盤齒數已知，在某一特定時間內，根據所累計的脈沖個數，即可求得轉速。特點：測量精度較高、適于低轉速測量，可用于汽車的行駛速度、發動機轉速等測量。2023/2/5134汽車工程測試技術基礎第六節光電式傳感器一、光電式傳感器的工作原理光電式傳感器是一種將光量轉換為電量的傳感器。其工作原理是光電效應。1、光電效應光電傳感器由光源、光學元件和光電元件組成。光源發射出一定光通量的光線，經光學元件照射到光電元件上，光電元件由于吸收了光的能量而產生電量輸出，這就是光電效應。2023/2/5135汽車工程測試技術基礎2、光電效應的類型（1）外光電效應——在光的作用下，光電元件的表面會逸出電子，這種光電效應稱為外光電效應。（2）內光電效應——在光的作用下，光電元件的電阻率會發生變化，這種現象被稱為內光電效應。（3）光生伏特效應——在光的作用下，光電元件內部產生電動勢的現象稱為光生伏特效應。3、光電變換元件不同的光電變換元件應用了不同的光電效應：2023/2/5136汽車工程測試技術基礎（1）光電管真空玻璃管內裝有兩個電極，光電陰極受到光照射時便放出電子，電子在陽極電場作用下形成電子流，從而在外電路中產生電流，并在負載上形成電壓降，該電壓經放大后可實現電測量。2023/2/5137汽車工程測試技術基礎（2）光敏電阻光導效應——由于光照強弱而導致半導體電阻值變化的現象稱為光導效應。光敏電阻是具有光導效應的半導體材料制成的電阻元件。將光敏電阻與一普通電阻串聯接至電源上。當有光照時，電路中的電流因電路阻值變化而發生變化，從而把光信號轉換為電信號。光電流——光敏電阻受光照而引起電路中電流強度的變化，光照前后電路中的電流差稱為光電流。（3）光電池光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電元件。光電池有一個大面積的P-N節，當光照射到P-N節上時，便在其兩端產生電動勢，這種現象被稱為光生伏特效應。2023/2/5138汽車工程測試技術基礎二、光電式傳感器的類型根據光通量對光電元件的作用所確定的光學裝置的不同，光電式傳感器有兩類：1、光電式傳感器的測量系統是光電流為被測光通量的函數，光電流是被測非電量的函數。（1）輻射能源就是被測對象（2）光源是白熾燈，其光通量穿過被測對象，部分被吸收后，再照射到光電元件上。2023/2/5139汽車工程測試技術基礎（3）光源的光通量首先照射到被測對象上，然后經被測對象表面反射到光電元件上。（4）從光源發出的光通量由于受被測對象的遮擋而只能部分照射到光電元件上。2、光電式傳感器的測量系統是使其輸出端工作在通與斷的開關狀態，傳感器的輸出是電脈沖信號。2023/2/5140汽車工程測試技術基礎三、光電式傳感器的應用1、優點：響應速度快、結構簡單、可靠性好2、應用：用于轉速、位移、距離及溫度等物理量3、應用實例——光電式轉速傳感器從光源發射出的光經過圓盤上的小孔照射到光電元件上。圓盤開有多個小孔，圓盤每轉動一周，則光電元件感光次數與小孔數目相同，從而產生相應數量的電脈沖信號。定時計量電脈沖數，可用下式計算轉速：2023/2/5141汽車工程測試技術基礎第七節熱電式傳感器一、熱電式傳感器的工作原理熱電式傳感器是利用某些材料或元件的物理性能與溫度有關，從而將溫度變化轉換為電量變化。二、熱電式傳感器的類型（1）熱電偶——由兩種不同導體組成的電氣元件。熱電效應——將兩種不同的導體或半導體的兩端連接在一起組成閉合回路，如果使兩端連接點處于不同溫度，就會在回路中產生由溫度差所決定的電動勢，從而在回路中形成電流，這種現象稱為熱電效應。2023/2/5142汽車工程測試技術基礎將熱電偶的一端置于被測溫度場（工作端），另一端置于某一恒定溫度場（自由端）。當熱電偶兩端溫差較大時、回路中產生的電動勢也較大。通過測定熱電偶輸出電動勢的大小，即可測得被測溫度值。（2）熱敏電阻熱敏電阻是一種具有很高負電阻溫度系數的新型半導體測溫元件。在室溫下，溫度每變化1度，熱敏電阻的電阻率變化可達－2％～－6％。熱敏電阻按其熱電特性可分為：負溫度系數NTC型，適于－100～＋300度的溫度測量；正溫度系數PTC型，常用作開關元件；臨界溫度CTR型。2023/2/5143汽車工程測試技術基礎（3）P-N節利用晶體管的P-N節溫度特性可以制作溫度傳感器。二、熱電偶的類型1、普通熱電偶，主要用于測量氣體、液體等介質的溫度；2、鎧裝熱電偶，適于測量狹小對象上的溫度；3、薄膜熱電偶，適于測量高溫物體的表面溫度。三、熱電式傳感器的應用1、可用熱電偶測量發動機氣缸內氣體的溫度和排氣閥溫度、活塞溫度；2、用熱電偶埋入摩擦片內測量離合器接合或制動器制動時的溫升；3、熱敏電阻制成點溫度計，測量汽車萬向節磨損試驗時其十字軸端的溫升。2023/2/5144第四章信號的中間變換與傳輸汽車工程測試技術基礎被測物理量經過傳感器變換后轉換為電參量或電量以后，為了驅動顯示儀表、記錄器、控制器或輸入電子計算機進行數據處理，往往需要進行某種處理或調制，即進行中間變換與傳輸。信號的中間變換環節包括：電橋、濾波、放大、調制和解調；第一節電橋電橋——將電阻、電容及電感等參數的變化轉換為電壓或電流輸出的一種測量電路。電橋的分類：按接入電橋的激勵電壓的性質，將電橋分為:直流電橋和交流電橋

按照輸出測量方式，將電橋分為：不平衡電橋和平衡電橋2023/2/5145汽車工程測試技術基礎一、直流電橋1、直流電橋的平衡條件根據歐姆定律，a、b之間與a、d之間的電位差分別為：圖4－1直流電橋輸出電壓：當輸出電壓為零時，電橋平衡，顯然當：2023/2/5146汽車工程測試技術基礎2、電橋靈敏度根據參與電阻值變化的橋臂數目，電橋可分為半橋和全橋接法。輸出電壓：當輸出電壓為零時，電橋平衡，顯然當：2023/2/5147汽車工程測試技術基礎

一、濾波器的分類第二節濾波器濾波器——濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。濾波器的作用——濾波器對頻率的篩選作用